Программный комплекс "Тепловой взрыв" (стр. 12 )

Понятийный аппарат термической безопасности

Целевая направленность монографии требует, в первую очередь, разъяснения смысла основополагающих для книги терминов "термические опасности" и "термическая безопасность", придания этим терминам, по крайней мере, в пределах книги, однозначного смысла на базе общих представлений об опасностях и безопасности, рассмотренных в предыдущем разделе этой главы.

Как показывает анализ различных отечественных и зарубежных источников (публикации в Интернет, научно - технические издания, журнальные публикации, нормативные и законодательные документы и т. д.) термин "термическая безопасность" (англ. - thermal safety), используется в понимании вида безопасности, являясь (в понятиях терминологии (см. Прил. 1) видовым понятием по отношению к родовому понятию "безопасность". В то же время, по своему смыслу термин "термическая безопасность" является омонимом, т. е. словосочетанием, имеющим разные значения в различных областях его использования.

Термин "термическая безопасность" используется в ФЗ "О техническом регулировании" [23] в перечне видов безопасности, подлежащих обязательному контролю в рамках технических регламентов. Однако определение понятия, связанного с этим термином (как и других видов безопасности), в этом законе отсутствует. Этого термина нет и в отечественных стандартах по терминологии безопасности жизнедеятельности [18].

Термин "термическая безопасность" используется в ряде отечественных источников [44 -46] как название вида безопасности, связанного с опасностями воздействия на человека высоких и низких температур. В таком понимании термин "термическая безопасность" характеризует степень защиты человека от опасных термических воздействий (высоких и низких температур), которые вызывают повреждение тканей организма (ожог), при эксплуатации или потреблении товаров. В таком смысле термическая безопасность - свойство нагревательных приборов или холодильных устройств. В таком же смысле этот термин используется в ряде случаев за рубежом для характеристики бытовых терморегуляторов, обеспечивающих поддержание комфортных температур в жилых помещениях [47- 48]. В тоже время, за рубежом широкое распространение имеет другое использование термина "термическая безопасность" (thermal safety) в качестве названия вида химической безопасности, присущего объектам, обладающим опасностями теплового взрыва [49 -53 и т. д.].

Очевидна практическая важность и необходимость разделения указанных выше понятий термина "термическая безопасность", как определяющих принципиально разные виды безопасности, в первую очередь, для законодательства и нормативной деятельности. Понимание смысла этого термина можно достичь, рассматривая соответствующий контекст или дополнив термин "термическая безопасность" еще одним определением, уточняющим смысл этого словосочетания, например, вводя термин "реакционная термическая безопасность". В рамках настоящей книги мы не делаем этого, ограничивая по определению смысл понятия "термической безопасности" исключительно его "химическим" значением и не рассматривая его смысл, связанный с опасными воздействиями температуры на кожные покровы и иные части человека.

Итак, в понятиях настоящей монографии термическая безопасность связана с опасностями теплового взрыва. В соответствии с этим, тепловой взрыв – еще одно основополагающее понятие настоящей монографии. С позиций современных представлений [54 - 56 и т. д.], тепловой взрыв – режим неуправляемого протекания экзотермической химической реакции в условиях ее прогрессивного самоускорения, обусловленного накоплением в системе выделяющегося в ходе реакции тепла и/или активных продуктов реакции, приводящего к повышению температуры объекта. При тепловом взрыве имеет место резкое увеличением скорости химического превращения, возрастание температуры вещества и давления в системе (в условиях ее замкнутости), что и определяет его опасность. Иногда, вместо термина "тепловой взрыв" используют термин "тепловое самовоспламенение".

Возможность реализации такого режима протекания химической реакции связана с нелинейной экспоненциальной зависимостью скорости реакции от температуры и с линейной зависимостью от температуры теплоотвода из системы. В результате возникает положительная обратная связь между температурой вещества и скоростью химического превращения и первоначально незначительное повышение температуры, обусловленное началом протекания экзотермической реакции, приводит к ее ускорению и дальнейшему росту температуры в системе.

Понятие неуправляемого экзотермического процесса можно пояснить, используя представление о цикле теплового взрыва [53].

Рис.2.2. Цикл теплового взрыва

При наличии условий, при которых скорость тепловыделения от химического процесса превышает скорость теплоотвода в окружающую среду, возникает тепловой разбаланс между тепловыделением и теплоотводом, приводящий к накоплению тепла в системе, увеличению ее температуры, и, соответственно, к повышению скорости химической реакции и т. д. При наличии газовыделения от химического процесса и/или присутствия в системе продуктов, образующих пар, повышение температуры ведет к повышению давления в объекте, создавая опасность его возможного разрушения. Разрушение объекта создает вторичные опасности, связанные с опасностями воздействия на внешнюю систему ударной волны, осколков, выброса опасных химических продуктов и т. д. Именно рост давления, связанный с газовыделением от химического процесса и парообразованием, создает главную опасность теплового взрыва – возможность разрушения объекта, в котором происходит химическая реакция. При этом, конечно, опасным может быть не только газовыделение от химического процесса в режиме теплового взрыва, но и при отсутствии самоускорения химической реакции, в условиях постепенного, достаточно медленного, нарастания давления в замкнутом сосуде при отсутствии или при неэффективности системы сброса давления.

Все виды опасностей, присущих тепловому взрыву и опасному газовыделению, в дальнейшем объединяются одним термином – термические опасности. Следует указать, что термин "термические опасности" имеет еще одно значение, поскольку используется также применительно к характеристике температуры нагретых и охлажденных предметов, поверхностей, воздуха и т. д. [57]. В рамках настоящей книги не используется термин "термические опасности" в таком смысле, ограничивая по определению смысл понятия "термической опасности" исключительно его связью с термической безопасностью.

Носителем термических опасностей является химическая реакция. В соответствии с этим, термические опасности наряду с пожароопасностью, коррозионностью, пирофорностью, способностью к гидрореагирующим взаимодействиям и т. д. относятся к классу реакционных опасностей, т. е опасностям, присущим химическим реакциям. В свою очередь, реакционные опасности - один из видов химических опасностей. В дальнейшем вопросы классификации химических опасностей будут рассмотрены более подробно.

Тепловой взрыв в химически реагирующей системе возникает, если скорость теплоотвода от химического процесса менее скорости тепловыделения. Прогрессивный саморазогрев системы в этих условиях связан с экспоненциальной зависимостью скорости химического процесса от температуры и линейной зависимостью скорости теплоотвода от температуры. Тепловой взрыв осуществляется в условиях, когда термическое равновесие между реагирующим веществом и окружающей средой оказывается невозможным.

В режиме теплового взрыва химический процесс перестает быть управляемым. Именно по этой причине в англоязычной научно – технической литературе для понятия "тепловой взрыв" активно используется не только термин "thermal explosion", но и слово "runaway" или словосочетание "runaway reaction" [52, 53 и т. д.], где смысл "runaway" - потерявшая управление, вышедшая из-под контроля химическая реакция.

Тепловой взрыв – причина многих техногенных катастроф и тяжелейших аварий, о чем более подробно будет говориться в следующем разделе. Именно это определяет большое практическое значение проблемы обеспечения безопасности объектов от опасностей, связанных с тепловым взрывом и выделения этого вида безопасности в самостоятельную область исследований – термическую безопасность.

В понятиях безопасности, рассмотренных в предыдущем разделе, обеспечение термической безопасность далее будем определять, как отсутствие теплового взрыва в объекте, а при его реализации – отсутствие или непревышение определенного предела ущерба в объекте защиты от опасностей воздействия теплового взрыва.

Таким образом, термическая опасность в понятиях настоящей книги – свойство системы, связанное с химическим" пониманием термина "термическая безопасность" как вида безопасности.

Причина теплового взрыва - превышение скорости тепловыделения химической реакции над скоростью теплоотвода от реакционной системы, приводящей, в конечном счете, к потере управляемости химической реакцией. Однако такой тепловой механизм перехода химической реакции в неуправляемое состояние не является единственной причиной, способной вызвать резкое самоускорение химической реакции с достижением опасных "взрывных" состояний. Способностью к самоускорению обладают радикально – цепные и автокаталитические реакции, в которых самоускорение вызывается наличием активных частиц – радикалов или образованием в ходе химической реакции активных промежуточных продуктов – автокатализаторов. И в том, и в другом случае по ходу химической реакции имеет место нарастание концентрации активных частиц, вызывающих ускорение химической реакции. На радикально – цепное и автокаталитическое ускорение химической реакции накладывается ее ускорение по тепловому механизму. В соответствии с механизмом, вызывающим самоускорение химической реакции, вводятся понятия теплового, радикально –цепного и автокаталитического взрыва [58]. В силу "химического" смысла понятия "термическая безопасность" все виды теплового взрыва (по тепловому, автокаталитическому и радикально – цепному механизмам) в дальнейшем при рассмотрении вопросов термической безопасности объединены одним термином "тепловой взрыв".